Thèse-2009-v4

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[phone] +7 39 95 [e-mail] Thèse à l’Institut des Matériaux Jean Rouxel Rationalisation des propriétés photocatalytiques de matériaux inorganiques au travers de calculs DFT Au cours de ces dernières années des technologies basées sur la photocatalyse ont été mises sur le marché. Elles permettent d’améliorer la qualité de vie (verre autonettoyant SGG BIOCLEAN®), de participer à la dépollution de l’air (revêtement PHOTOCAL®), ou encore de produire des énergies renouvelables comme l’hydrogène par photo-décomposition de l’eau. La photocatalyse consiste en la dégradation, activée par la lumière (solaire ou artificielle) de molécules organiques. Cette dégradation se fait habituellement suite à l’absorption des rayons UV par des particules inorganiques de dioxyde de titane (TiO ). Ce 2matériau photo-activé est alors le support de réactions d’oxydoréduction qui induisent la formation « d’oxygène actif » à partir de l’oxygène et de l’eau présents dans le milieu. Cet oxygène actif (radicaux libres d’oxydation) décompose les molécules organiques et les microorganismes environnants. De telles réactions peuvent alors être utilisées dans des contextes de dépollution de l’air (dégradation des gaz d’échappement NOx et des composés organiques volatils COV), de purification et potabilisation de l’eau, d’autonettoyage de façades vitrées extérieures, de production d’énergie renouvelable, … Le principal verrou technologique ...

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• Publié par: Phuwyor
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• Langue: Français

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Thèse à l’Institut des Matériaux Jean Rouxel

Rationalisation des propriétés photocatalytiques de matériaux

inorganiques au travers de calculs DFT

Au cours de ces dernières années des technologies basées sur la photocatalyse ont été

mises sur le marché. Elles permettent d’améliorer la qualité de vie (verre autonettoyant

SGG BIOCLEAN®), de participer à la dépollution de l’air (revêtement PHOTOCAL®),

ou encore de produire des énergies renouvelables comme l’hydrogène par photo-

décomposition de l’eau.

La photocatalyse consiste en la dégradation, activée par la lumière (solaire ou

artificielle) de molécules organiques. Cette dégradation se fait habituellement suite à

l’absorption des rayons UV par des particules inorganiques de dioxyde de titane (TiO

2

). Ce

matériau photo-activé est alors le support de réactions d’oxydoréduction qui induisent la

formation « d’oxygène actif » à partir de l’oxygène et de l’eau présents dans le milieu. Cet

oxygène actif (radicaux libres d’oxydation) décompose les molécules organiques et les

microorganismes environnants. De telles réactions peuvent alors être utilisées dans des

contextes de dépollution de l’air (dégradation des gaz d’échappement NOx et des

composés organiques volatils COV), de purification et potabilisation de l’eau,

d’autonettoyage de façades vitrées extérieures, de production d’énergie renouvelable, …

Le principal verrou technologique actuel réside dans la nature même du matériau actif

(TiO

2

) et de son fort gap électronique (

≈

3 eV). En effet, son activation se fait à très haute

énergie et seule une très faible fraction de la lumière solaire dans la région des UV peut

être exploitée (2 à 3 %). La recherche de matériaux actifs dans le visible (avec un gap

inférieur à 3 eV) est un sujet en plein essor qui intéresse les industriels. Quelle stratégie

faut-il adopter ? Diminuer le gap électronique de TiO

2

en substituant l’oxygène par un

élément moins électronégatif, comme l’azote, ou changer de matrice inorganique. De

nombreux articles scientifiques ont récemment été publiés, sans pour autant clarifier la

situation. Cela est principalement dû à la nature de la propriété photocatalytique qui réside

à la fois dans une excitation du coeur et une activité catalytique des états de surface du

matériau.

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Le doctorant envisagera ce problème sous un axe de recherche original, consistant à

découpler, via une

modélisation DFT

(théorie de la fonctionnelle de la densité), les effets

intrinsèques (composition chimique, structure, gap électronique, …) et extrinsèques

(morphologie, porosité, états de surface…) au matériau.

Durant cette thèse, l’étudiant sera amené à modéliser les propriétés structurales,

électroniques et optiques de divers matériaux présentant ou non des propriétés

photocatalytiques, par la prise en compte :

- de l’efficacité d’absorption du rayonnement excitateur via la modélisation de la réponse

diélectrique du matériau (absorption/diffusion) ;

- de la nature et la masse effective des porteurs de charges (dispersion de bandes, …) ;

- du piégeage des porteurs de charges (effets de la surface du matériau) ;

- du potentiel redox du couple électron-trou ainsi généré ;

- des effets de la surface (courbure des bandes, espèces adsorbées, reconstruction de

surface …)

Cette étude sera menée sur des matériaux répertoriés dans la littérature et/ou synthétisés

au laboratoire. L’ensemble de ces travaux conduira à la proposition de règles simples

permettant d’optimiser les propriétés de tels matériaux sur la base de critères chimiques

(modification structurale, substitution chimique, morphologie, …).

Ce projet de thèse, qui fait suite à une collaboration contractuelle avec un groupe

industriel, a obtenu

un financement BDI-Région

(rémunération mensuelle de 1757 €

brute soit environ

1450 € nette

) ouvert à tout étudiant ayant validé son année de M2 en

2009.

Le candidat recherché est un scientifique enthousiaste et intéressé par la compréhension

des facteurs physiques et chimiques qui influent sur les

propriétés des matériaux

inorganiques

. Tout candidat intéressé par la présente offre est invité à envoyer un CV

détaillé et une lettre de motivation à X. Rocquefelte (email: xavier.rocquefelte@cnrs-

imn.fr, tél: [phone]) et S. Jobic (email: [e-mail], tél:

02.40.37.39.22). Pour plus de renseignements sur l’activité du groupe, consultez le site

web suivant : http://www.cnrs-imn.fr/MIOPS/.